מה הם האטומים והמולקולות. מבנה החומר - מולקולות

קוונטית  (ממנו. כמות- "קוונטית" מ lat. קוונטי  - "כמה") הוא חלק בלתי נפרד של חלקיק בסיסי או גודל בפיסיקה (למשל, כמות (חלק) של קרינה אלקטרומגנטית, אשר במעשה אחד יכול לפלוט או לספוג או מערכת קוונטית אחרת, חלקיק בסיסי, כמו פוטון). הרעיון מבוסס על הרעיון של מכניקת הקוונטים, שכמה כמויות פיזיות יכולות לקחת רק ערכים מסוימים (הם אומרים שהכמות הפיזית בדיד).

בחלק מהמקרים החשובים, ערך זה או שלב השינוי שלו יכולים להיות רק מכפילים נפרדים של ערך יסודי כלשהו - והאחרון נקרא קוונטי. לדוגמה, האנרגיה של קרינה אלקטרומגנטית מונוכרומטית של התדר הזוויתי הזוויתי יכולה לקחת את הערכים (N + 1/2) ℏω, כאשר План הוא קבוע פלאנק קבוע ו- N הוא מספר שלם. במקרה זה, ℏω יש את המשמעות של האנרגיה של קוונטית של קרינה (במילים אחרות, פוטון), ו- N הוא המשמעות של מספר אלה quanta (פוטונים). במובן זה, המונח קוונטים הוצג לראשונה על ידי מקס פלאנק בעבודתו הקלאסית של 1900 - העבודה הראשונה על תורת הקוונטים שהניחה את יסודותיה.

מאז תחילת המאה ה -20 התפתח רעיון פיזי חדש לגמרי סביב הרעיון של קוונטיזציה, הנקרא בדרך כלל פיזיקה קוונטית (למשל, כמות (קרינה) של קרינה אלקטרומגנטית שיכולה לפלוט או לספוג במערכה יחידה או במערכת קוונטית אחרת: חלקיק בסיסי, פוטון).

כיום, שם התואר "קוונטית" משמש בכותרת של מספר תחומים בפיסיקה (מכניקת הקוונטים, תורת השדות הקוונטית, אופטיקה קוונטית וכו '). המונח קוונטיזציה הוא בשימוש נרחב, כלומר בנייה של תורת הקוונטים של מערכת מסוימת או מעבר התיאור הקלאסי שלה אחד קוונטי. מונח זה משמש כדי לציין מצב שבו כמות פיזית יכולה לקחת רק ערכים נפרדים - למשל, נאמר כי האנרגיה של אלקטרון באטום היא "כמותית". למונח "קוואנטום" עצמו יש כיום שימוש מוגבל בפיסיקה. לפעמים הוא משמש לייצוב חלקיקים או חלקיקים המתאימים לשדות האינטראקציה של הבוסון (שדה קוונטים אלקטרומגנטי פוטון - פונטון - שדה קוונטי של גלי קול בגביש, graviton - קוואנט היפותטי של שדה הכבידה וכו '), הם מכונים גם " עירור פוטונים "או פשוט" עירורים "של השדות המתאימים.

בנוסף, על פי המסורת, "קוונטית של פעולה" נקרא לפעמים קבוע של פלאנק. במובן המודרני, שם זה עשוי להיות בעל משמעות כי קבוע פלנק הוא יחידת קוונטית טבעית של מדידת פעולה וכמויות פיזיות אחרות של אותו מימד (לדוגמה, תנופה זוויתית).

קווארק  - החלקיק הבסיסי במודל הסטנדרטי, בעל מטען חשמלי רב ה/ 3, ולא נצפו במצב החופשי, אלא חלק מהדרנים (חלקיקים בעלי אינטראקציה חזקה, כגון פרוטונים ונייטרונים). קווארקים הם חלקיקים לא מובנים; זה מאומת עד סולם של כ 5 · 10 -18 מ ', שהוא בערך 20 אלף פעמים קטן יותר מאשר גודל של פרוטון.

נכון לעכשיו, ישנם 6 סוגים שונים (לעתים קרובות יותר הם אומרים - "ניחוחות") של קווארקים, המאפיינים של אשר ניתנים בטבלה. בנוסף, עבור תיאור מד של אינטראקציה חזקה, הוא הניח כי קווארקים יש גם מאפיין פנימי נוסף שנקרא "צבע". כל קווארק מתאים למרכבה עתיקה בעלת מספרים קוונטיים מנוגדים.

ההשערה כי הדרונים נבנו מתוך יחידות משנה ספציפיות הוצגה לראשונה על ידי מ 'גל-מאן, ובאופן בלתי תלוי בו, על ידי ג' יי צווייג בשנת 1964.

נוקלונים  (מתוך Lat. גרעין  - גרעין) - חלקיקים שמהם בנויים גרעינים אטומיים. נוקלאונים מיוצגים על ידי פרוטונים ונייטרונים.

מנקודת מבט של אינטראקציה אלקטרומגנטית, פרוטון ונויטרון הם חלקיקים שונים, שכן הפרוטון הוא טעון חשמלית, אבל הנויטרונים לא. עם זאת, מנקודת המבט של האינטראקציה החזקה, המכריעה על קנה המידה של גרעיני האטום, חלקיקים אלה אינם ניתנים להבחנה, ולכן המושג "נוקלאון" הוכנס, והפרוטונים והניוטרונים החלו להיחשב כשתי מדינות נוקלאון שונות, הנבדלות על ידי השלכה של הספין האיזוטופי. הקרבה של המאפיינים של מצבי האיספין של נוקלאון הוא אחד הביטויים של אינבנציונליות איזוטופית.

האטום הוא החלקיק הקטן ביותר של יסוד כימי ששומר על כל התכונות הכימיות שלו. אטום מורכב מגרעין עם מטען חשמלי חיובי וטלקום שלילי. הטעינה הגרעינית של כל יסוד כימי שווה לתוצר של Z by e, כאשר Z הוא המספר הסודי של אלמנט זה בטבלה המחזורית של יסודות כימיים, e הוא הערך של המטען החשמלי היסודי.
אלקטרונים - החלקיק הקטן ביותר של חומר עם מטען חשמלי שלילי e = 1.6 · 10 -19 תליונים, נלקח כמטען חשמלי אלמנטרי. האלקטרונים, המסתובבים סביב הגרעין, ממוקמים על פגזי האלקטרונים של K, L, M, וכו 'K הוא הקליפה הקרובה ביותר לגרעין. גודלו של האטום נקבע על פי גודל קליפת האלקטרון שלו. אטום יכול לאבד אלקטרונים ולהיות יון חיובי או לצרף אלקטרונים ולהפוך יון שלילי. יון תשלום קובע את מספר האלקטרונים לאיבוד או המצורפת. תהליך ההמרה של אטום נייטרלי ליון טעון נקרא יינון.
גרעין אטומי  (החלק המרכזי של האטום) מורכב מחלקיקים גרעיניים בסיסיים - פרוטונים ונייטרונים. רדיוס הגרעין הוא בערך פי מאה אלף קטן יותר מרדיוס האטום. צפיפות הגרעין האטומי גבוהה ביותר. פרוטונים  - חלקיקים בסיסיים יציבים בעלי מטען חשמלי חיובי יחיד, 1836 פעמים יותר מאשר המוני של אלקטרון. הפרוטון הוא גרעין האטום של האלמנט הקל ביותר - מימן. מספר הפרוטונים בגרעין הוא Z. ניוטרון- מטען נייטרלי (ללא מטען חשמלי) עם חלקיקים קרובים מאוד למסת הפרוטון. מאחר שמסת הגרעין מורכבת ממסה של פרוטונים ונייטרונים, מספר הנייטרונים בגרעין האטום הוא A - Z, כאשר A הוא מספר המסה של איזוטופ נתון (ראה לוח תקופתי של יסודות כימיים). הפרוטון והנויטרון המרכיבים את הגרעין נקראים נוקלאונים. בגרעיני הגרעין מחוברים כוחות גרעיניים מיוחדים.
  בגרעין האטומי יש היצע עצום של אנרגיה המשתחרר במהלך תגובות גרעיניות. תגובות גרעיניות מתרחשות באינטראקציה של גרעינים אטומיים עם חלקיקים בסיסיים או עם גרעינים של אלמנטים אחרים. כתוצאה מתגובות גרעיניות, נוצרים גרעינים חדשים. לדוגמה, נויטרונים יכולים לעבור לפרוטון. במקרה זה, חלקיק בטא הוא נפלט מן הגרעין, כלומר אלקטרון.
  המעבר בגרעין הפרוטון אל הנויטרונים יכול להיעשות בשתי דרכים: או חלקיק בעל מסה השווה למסה האלקטרונית, אך עם מטען חיובי, הנקרא פוזיטרון (ריקבון פוזיטרונים), נפלט מהגרעין, או שהגרעין לוכד את אחד האלקטרונים מקליפת ה- K (K - ללכוד).
  לפעמים הגרעין שנוצר הוא בעל עודף של אנרגיה (הוא במצב נרגש), ועובר למצב הנורמלי, משחרר אנרגיה נוספת בצורה של קרינה אלקטרומגנטית עם אור גל קטן מאוד - קרינת גמא. האנרגיה המשתחררת במהלך תגובות גרעיניות משמשת למעשה בתעשיות שונות.

מולקולה (מולקולה צרפתית, מן הלוליים הלטיניים - מסה) היא החלקיק הקטן ביותר של חומר המסוגל לקיום עצמאי, בעל תכונות כימיות שלו.
  המחקר של מבנה ותכונות של מולקולות רכשה עניין יוצא דופן להבנת המבנה Subicroscopic של תאים ורקמות, כמו גם את המנגנון של תהליכים ביולוגיים ברמה המולקולרית. הצלחה גדולה בלימוד המבנה של מ ', ובמיוחד מ', כגון ביו-פולימרים כחלבונים וחומצות גרעין, הראו שהפונקציות החשובות ביותר של חומרים אלה באורגניזמים מבוצעות ברמה של מולקולות בודדות ולכן יש לחקור אותן כתופעות מולקולריות. זה כבר נקבע, למשל, כי פונקציות חלבון כגון אנזימטית, מבנית, התכווצויות, החיסון, תחבורה (הפיך מחייב והעברת חומרים חיוניים) הם שיחקו ברמה המולקולרית נקבעים ישירות על ידי המבנה ואת המאפיינים של מ 'של חומרים אלה. התורשה והשונות של אורגניזמים קשורים למבנה המיוחד ולמאפיינים של חומצות גרעין מ ', המכילים את כל המידע הגנטי הדרוש לסינתזה של חלבונים בגוף. סטיות קטנות במבנה או בהרכב של מולקולות של מספר חומרים ביולוגיים חשובים או שינויים במנגנון המולקולרי של תהליכים מטבוליים מסוימים גורמים למספר מחלות (לדוגמה, אנמיה חרמשית, גלקטוזמיה תורשתית, סוכרת, וכו '), הנקראות מחלות מולקולריות.
  המולקולה של כל חומר מורכבת ממספר מסוים של אטומים (ראה) של אלמנט כימי אחד (חומר פשוט) או אלמנטים שונים (חומר מורכב) המאוחד על ידי אג"ח כימיות (valence). ההרכב של מ 'בא לידי ביטוי על ידי נוסחה כימית שבה הסימנים של האלמנטים מצביעים על סוג של אטומים להרכיב מ' ומספרים בצד ימין למטה להראות כמה אטומים של כל רכיב כלולים מ 'אז אז, מן הנוסחה הכימית של גלוקוז SvN12Oe זה נובע כי מ' של גלוקוז מכיל 6 אטומי פחמן, 12 אטומי מימן ו -6 אטומי חמצן. מולקולות של גזים אינרטיים ואדים של מתכות מסוימות הם מונטומיים. אלה הם הפשוטים מ 'המורכבים ביותר הם מ' חלבונים (ראה), חומצות גרעין (ראה), ועוד biopolymers המורכב אלפי רבות של אטומים.

כל החומרים מורכבים מחלקיקים זעירים - אטומים. האטומים משתלבים ליצירת מולקולות, הגדולות שבהן יש מבנה מורכב המורכב מאלפי אטומים.

העובדה שהכול מורכב מחלקיקים, ידעה את היוונים הקדמונים. בערך 420 לפנה"ס. ה. הפילוסוף דמוקריטוס תמך בהשערה שהחומר מורכב מחלקיקים זעירים, בלתי ניתנים לחלוקה. ביוונית, אטומו פירושו "בלתי ניתן לחלוקה", ולכן חלקיקים אלה נקראים אטומים.

פילוסופים אחרים החזיקו בנקודת מבט שונה, ובמאה ה -4 לפנה"ס. ה. אריסטו הביע את תמיכתו בדעה כי החומר מורכב משילובים שונים של ארבעת היסודות - אדמה, אוויר, אש ומים. רעיון זה אומץ באופן רחב והיוותה את הבסיס לאלכימיה, צורה פרימיטיבית של כימיה ששררה במדע עד המאה השבע-עשרה.

אחת המשימות העיקריות של אלכימיה היתה ליצור "שיקוי חיים" - תרופה שתאפשר לאדם לחיות לנצח. השני היה ליצור עושר על ידי המרת מתכות רגילות לזהב. אלכימאים רבים טענו שהם השלימו את המשימות הללו, אך איש מהם לא זכה להצלחה ממשית.

המהפכה במדע

מדענים מסוימים המשיכו לדבוק בחוות הדעת שהחומר מורכב מאטומים, אבל רק בתחילת המאה ה -19 ניסו נתונים ניסיוניים המאשרים את התיאוריה הזאת. כימאי אנגלי וסופר ג'ון דלטון ערך ניסויים בגזים ולמד את דרכי חיבורם. לכן, הוא מצא כי חמצן ומימן, להרכיב מים, תמיד לשלב באותו פרופורציות לפי משקל. מדענים אחרים נתקלו גם בנתונים דומים, אבל זה היה דלתון שהבין לראשונה את חשיבותם. הוא הגיע למסקנה כי חומרים מורכבים אטומים, וכי כל האטומים של חומר פשוט יש את אותה מסה. כאשר חומרים פשוטים משולבים, מספר האטומים המחברים נמצא בפרופורציה קבועה. אנטומיסט של דלטון הסביר מדוע חומרים משולבים בשיעור המסה קבוע, וגם סיפק את הבסיס למחקר מפורט של החומר. החומרים מורכבים מאטומים, ומהם האטומים עשויים? הרמזים הראשונים למסתורין זה הופיעו בסוף המאה ה -19, כאשר חוקרים חקרו את מעבר החשמל דרך צינורות פליטה המכילים אוויר מזויף. לפעמים הקירות של הצינור פולטים אור ירוק כאשר מתח גבוה הוחל על שתי לוחות מתכת - אלקטרודות. הארה התרחשה כאשר קרניים בלתי נראה של אלקטרודה שלילית, או קתודה, פגע קירות צינור.

בשנות התשעים של המאה התשע-עשרה הוכיח הפיסיקאי האנגלי ג 'תומסון כי קרני הקתודה האלה (כפי שנקראו אז) אינן אלא זרמים של חלקיקים טעונים שלילי. ההנחה היתה כי חלקיקים אלה נובעים מן האטומים, אם כי ההסדר שלהם בתוך האטומים נשאר ברור. תומסון הציע כי האטום עשוי להיות דומה פודינג חג המולד, שבו כדור גדול אבל קל משקל חיובי טעון מנוקד עם חלקיקים טעונים שלילי (אלקטרונים). עם זאת, ניסויים שונים על המחקר של מבנה האטום הוכיחו כי זו תיאוריה שגויה לחלוטין.

מבנה אטומי

בשנת 1911, ארנסט Rutherford, פיסיקאי בריטי, יליד ניו זילנד, שעבד עם תומסון, הציע את המבנה של האטום, אשר באמת מסביר את התנהגותו במהלך הניסויים. Rutherford הציע שהמרכז (או הגרעין) של האטום יש מטען חיובי ומסה גדולה יחסית, ואלקטרונים קלים מאוד וטעונים שליליים מסתובבים סביב הגרעין.

עם זאת, Rutherford לא הבין כי יש בדרך כלל הן חלקיקים חיוביים נייטרלי חיובי בגרעין האטומי. קיומו של חלקיקים טעונים באופן חיובי הוכר בשנת 1920, והם נקראו פרוטונים. בשנת 1932, הפיזיקאי האנגלי ג'יימס צ'אדוויק גילה חלקיקים נטענים וקרא להם נויטרונים. כתוצאה מכך, התמונה של מבנה האטום הושלמה ומאז היה הבסיס להבנתנו את החומר.

פריטים

כל חומר שבו כל האטומים יש את אותו מספר של פרוטונים נקרא אלמנט. מספר הפרוטונים בכל אטום הוא מספר האטום של האלמנט. ישנם 92 אלמנטים טבעיים, האטומים שלהם יש 1 עד 92 פרוטונים. בנוסף, כמה אלמנטים אחרים עם מספר גדול עוד יותר של פרוטונים באטום ניתן להשיג באמצעות מכשיר שנקרא מאיץ החלקיקים היסודי. אלמנטים טבעיים כוללים ברזל, כספית ומימן.

בחומרים רבים, האטומים משולבים לקבוצות הנקראות מולקולות. לכן, גז המימן מורכב ממולקולות, שכל אחת מהן מכילה שני אטומי מימן. לעתים קרובות, עם זאת, מולקולות החומר מורכב מאטומים של יותר מאלמנט אחד. חומרים אלה נקראים תרכובות. לדוגמה, מים הם תרכובת שבה כל מולקולה מורכבת משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. למולקולות רבות יש מספר גדול בהרבה של אטומים. כמה מולקולות חלבון הן תרכובות מורכבות של כמה אלפי אטומים. כמה אלמנטים טבעיים נמצאים רק תרכובות. לכן, נתרן הוא מתכת המשלבת כל כך בקלות עם חומרים אחרים כי זה לא ניתן למצוא בצורה טהורה שלה. היא ידועה בשילוב עם כלור בצורה של נתרן כלוריום - נתרן כלורי.

אטומים במולקולות נקשרים בדרכים שונות, בעוד הם חולקים אלקטרונים בינם לבין עצמם או מחליפים ביניהם. שני סוגים פשוטים של קשרים כימיים הם קוולנטיים ו יוניים.

מליטה קוולנטית מתרחשת כאשר אטומים יש אלקטרונים נפוצים. לכן, מולקולת גז מימן מורכב משני אטומי מימן המקושרים על ידי קשר קוולנטי. האלקטרון היחיד של כל אטום מימן מסתובב סביב גרעיני שני האטומים, ומקשר אותם יחד.

במקרה של קשר יוני, אטום אחד מעביר אלקטרונים לאטום אחר. התוצאה היא כוח חשמלי שקושר את האטומים יחד. ככלל, מספר הפרוטונים הטעונים בצורה חיובית והאלקטרונים הטעונים שלילית באטום זהים. החיובים החיוביים והשליליים שלהם מתאמים זה את זה, ולכן אין לאטום שום מטען משותף. עם זאת, ב אלקטרונים אטום תרומה, עודף של חיוב חיובי נוצר, ו אטום מקבל אלקטרונים רוכש תשלום שלילי מוחלט. אטומים טעונים כאלה נקראים יונים. יונים של חיובים הפוכים למשוך אחד את השני, וזה אטרקציה חשמלית המחזיקה את האטומים יחד את הקשר יוניים. לדוגמה, מולקולת מלח נוצרת על ידי קשר יוני כאשר אטום נתרן מעביר אלקטרונים לאטום כלור.

לכל האטומים של חומר אחד יש אותו מספר של פרוטונים, אך מספר שונה של נויטרונים. כך, בפחמן, הגרעין של רוב האטומים מכיל שישה נויטרונים, אך כמעט בכל מאית מהם יש שבעה נויטרונים. אלה סוגים שונים של אטומים של אותו אלמנט נקראים איזוטופים. לכל האיזוטופים של אלמנט זה יש את אותם תכונות כימיות - כולם משתלבים עם חומרים אחרים ויוצרים את אותם תרכובות כימיות. אבל המאפיינים הפיזיים האישיים של איזוטופים שונים - למשל, יש להם הקפאה שונים או נקודות רתיחה.

אם כבר מדברים על איזוטופ מסוים של אלמנט, מדענים קוראים לזה מספר המוני. לדוגמה, פחמן -12 הוא איזוטופ פחמן טבעי נפוץ. האטום שלה מכיל שישה פרוטונים ושישה נייטרונים. איזוטופ טבעי נדיר יותר, בגרעין של כל אטום שיש בו נויטרונים נוספים, נקרא פחמן -13.

משקל אטומי

פרוטון וניוטרון יש כמעט את אותה מסה, וזה יותר מ 1,800 פעמים את המוני האלקטרון. לכן, כשמדובר במסה של אטום, ככלל, זה לא יהיה טעות להתייחס למספר המונית שלה.

המשקל האטומי של אלמנט, או המסה האטומית היחסית שלו, הוא בדרך כלל המסה הממוצעת של תערובת של איזוטופים הנמצאים בטבע. המשקל המולקולרי של חומר, או משקלו המולקולרי היחסי, הוא סכום המשקולות האטומיים של כל האטומים במולקולה אחת של חומר נתון.

אטום פוליסילבי

מאז, מדענים עשו ניסויים עם מאיצים שהתגלו מאות סוגים אחרים של חלקיקים באטומים. אבל, למרבה המזל, מודל אטומי פשוט מספיק כדי להסביר את רוב המאפיינים של החומר.